Стабильное расщепление солнечной воды с помощью смачиваемой органики.

Nature Communications, том 13, номер статьи: 4460 (2022) Ссылаться на эту статью

3996 Доступов

7 цитат

13 Альтметрика

Подробности о метриках

Защитные слои необходимы фотокатодам на основе Si для достижения долгосрочной стабильности. Традиционно используемые неорганические защитные слои, такие как TiO2, должны быть лишены пор, чтобы изолировать Si от коррозийного раствора, что требует чрезвычайно высококачественных методов осаждения. С другой стороны, органические гидрофобные защитные слои страдают от компромисса между плотностью тока и стабильностью. В данной статье описывается разработка и изготовление прерывистого гибридного органического защитного слоя с контролируемой смачиваемостью поверхности. Нижележащий гидрофобный слой вызывает образование тонких газовых слоев в прерывистых порах, чтобы изолировать электролит от Si-подложки, в то же время позволяя Pt-сокатализатору контактировать с электролитом для расщепления воды. Между тем, поверхность этого органического слоя модифицирована гидрофильными гидроксильными группами, чтобы облегчить отделение пузырьков. Оптимизированный фотокатод обеспечивает стабильный фототок 35 мА/см2 в течение более 110 часов без тенденции к его затуханию.

Преобразование солнечной энергии в химическое топливо, такое как водород, является устойчивым способом решения энергетических и экологических проблем1. Кремний (Si)2, оксиды различных металлов3 и полупроводники III-V4,5 исследованы в целях фотоэлектрохимического (ФЭХ) расщепления воды. Среди них Si является одним из наиболее привлекательных кандидатов для реакции выделения водорода PEC (HER) из-за его низкой стоимости, подходящей ширины запрещенной зоны и положения края зоны6. Однако Si подвержен дезактивации в водных растворах7,8,9. Для создания стабильного фотокатода на основе Si преобладающей стратегией является введение компактного металлического слоя или слоя оксида металла путем распыления10 или осаждения атомного слоя (ALD)11 на поверхность Si, чтобы изолировать Si от электролита. Таким образом, этот компактный защитный слой должен быть прозрачным12, проводящим13 и химически стабильным14, чтобы обеспечить долговечность и эффективность фотокатода15. Пленки TiO2, полученные методом ALD, широко используются в качестве защитных слоев для электродов PEC16,17,18. Однако TiO2 становится нестабильным при очень отрицательных потенциалах19 или под воздействием УФ-излучения20. Между тем, предыдущие исследования показали, что TiO2, выращенный с помощью ALD, требует минимальной толщины 50 нм, чтобы в строгом смысле слова стать свободным от пор, из-за присутствия атмосферных твердых частиц на подложке в обычных лабораторных условиях21,22,23,24. 25. Кроме того, была также продемонстрирована точечная коррозия, соответствующая точечным отверстиям26. Таким образом, традиционная стратегия изоляции, требующая слоя без пор, накладывает ограничения на выбор материала и метод осаждения. Следовательно, существует необходимость в разработке стратегий27, которые могли бы уменьшить контакт Si-жидкость с приемлемой устойчивостью к точечным отверстиям в защитном слое.

Помимо изоляции подложки Si от электролита плотным защитным слоем, также возможно уменьшить контакт Si-жидкость за счет увеличения гидрофобности Si, чтобы задержать транспорт жидкостей вблизи поверхности28, что может снизить скорость коррозии29,30 . Однако уменьшение контакта кремния с жидкостью также уменьшит активную площадь реакций расщепления воды. Более того, предыдущие исследования показали, что большинство гидрофобных слоев имели плохую проводимость31,32, в то время как гидрофобные электроды демонстрировали значительно более низкую активность HER, чем смачиваемые электроды33,34. Плохая эффективность гидрофобных электродов может быть связана с тем, что большое количество газа превращается в большие пузырьки на поверхности во время HER35,36,37, что может вызвать падение тока из-за покрытия активных центров HER. катализаторы38. Поэтому крайне желательно, но все еще сложно использовать гидрофобный слой в качестве защитного слоя, предотвращая при этом пузырьковое покрытие сокатализаторов для достижения эффективных поверхностных реакций.